本專利屬于通信系統(tǒng)評估領域，尤其涉及超短波通信系統(tǒng)效能評估方法的研究。
背景技術：
：通信系統(tǒng)的效能評估是分析系統(tǒng)工作性能的重要環(huán)節(jié)。本專利以超短波通信系統(tǒng)的效能評估為研究背景?，F(xiàn)階段，通信系統(tǒng)的復雜度日益提升，通過數(shù)學建模的手段對系統(tǒng)進行預研和分析，可以短時高效的掌握系統(tǒng)的工作特性和性能影響機理，為后續(xù)的集成實現(xiàn)或系統(tǒng)改進提供可靠的理論支撐。在合作通信中，通信雙方的信道環(huán)境暴露在復雜電磁環(huán)境下，會同時受到各種自然、人為、自身等因素的影響。同時，由于通信系統(tǒng)集成度高，對系統(tǒng)本身的認知存在難度，伴隨著通信信號處理技術的飛速發(fā)展，通信系統(tǒng)編碼和調制樣式日益增多，對無線信道的研究也愈加深入，信道類型和依賴性也進一步加強。一系列因素導致通信系統(tǒng)模型眾多，影響因素眾多，評估難度加大。對于大型裝備所搭載的通信系統(tǒng)，若通過試驗手段對系統(tǒng)性能進行測試和分析，必然會花費大量的時間和精力，若直接引用實驗室檢驗報告進行佐證或干脆進行舍棄，則無法充分釋放系統(tǒng)的檢驗風險，系統(tǒng)在實際工作中可能出現(xiàn)各類新的問題和使用需求。技術實現(xiàn)要素：本發(fā)明的目的在于提供一種基于多因素影響建模的超短波通信系統(tǒng)效能評估方法，以超短波通信系統(tǒng)為例，在充分認知系統(tǒng)基礎之上，對系統(tǒng)在各類應用背景下的效能評估方法展開研究，包括通信覆蓋能力、組網(wǎng)能力、鏈路傳輸能力和抗干擾能力，以保證通信系統(tǒng)的有效性，為通信系統(tǒng)優(yōu)化和完善提供可靠的理論指導。一種基于多因素影響建模的超短波通信系統(tǒng)效能評估方法，具體步驟如下：S1、通過對超短波通信系統(tǒng)工作原理與效能影響機理的研究，將通信過程中各環(huán)節(jié)對系統(tǒng)的影響等效折算為信噪比的增大或減小，并以此為基礎對通信系統(tǒng)各模塊進行數(shù)學建模，具體步驟如下：S11、用編碼增益的近似界來等效信道編碼對系統(tǒng)誤碼性能的改善，即γ(dB)＝10log10Rdmin，其中，R為編碼效率，dmin為碼間最小距離；S12、用擴頻增益來描述擴展頻譜技術對系統(tǒng)抗干擾性能的改善，即，Gp(dB)＝10lg(2N-1)，其中，N為為擴頻碼的級數(shù)；S13、用天線增益表示收發(fā)端天線對信號的增強或減弱。式中，為天線效率，為天線的方向圖函數(shù)，即，其中，ηA為天線效率，f為天線的方向圖函數(shù)，S14、通過建立噪聲的數(shù)學模型來計算噪聲功率，即，N(dB)＝10lgkTB+F+G，其中，T為等效噪聲溫度，B為接收機帶寬，F(xiàn)為噪聲系數(shù)，G為低噪放增益，k為玻爾茲曼常數(shù)；S15、通過建立相應的損耗模型來描述信號在不同傳播環(huán)境下的傳輸損耗，即，自由空間模型PL(dB)＝32.44+20lgd+20lgf，反射模PL(dB)＝40lgd-20lght-20lghr，散射模型PL(dB)＝M+30lgf+10lgd+30lgθ+N(H,h)+Lc，其中，d為傳輸距離，f為信號頻率，ht,hr為收發(fā)天線高度，θ為散射角，M,N,Lc為與氣候相關的環(huán)境參數(shù)；S16、通過算法仿真和數(shù)據(jù)擬合，建立同步和信道均衡的模型；S2、根據(jù)通信系統(tǒng)的實際工作環(huán)境和使用需求，推導并建立信號在不同調制方式、不同信道環(huán)境下的錯誤判決概率，得到以信噪比為主變量的系統(tǒng)誤碼率計算公式，具體為：利用公式計算積分，得到系統(tǒng)誤碼率，其中，Pe(γb)為不同調制方式下的錯誤判決概率，p(γb)為不同衰落服從的概率密度函數(shù)，衰落主要包括如下幾種類型：瑞利衰落萊斯衰落C.Loo衰落頻率選擇性衰落；S3、完善系統(tǒng)的效能評估模型，即，根據(jù)評估類型，擬定評估變量，將評估變量與信噪比進行關聯(lián)，得到以評估變量為主變量的系統(tǒng)誤碼率的數(shù)學表達式，并根據(jù)系統(tǒng)誤碼率閾值來約束變量區(qū)間，得到評估結果，數(shù)學模型為Pe＝f{X,a1,a2…}，其中，Pe為系統(tǒng)誤碼率，X為評估主變量，a1,a2…為影響通信系統(tǒng)信噪比的其他因素，f為將多因素整合關聯(lián)并計算誤碼率的函數(shù)。本發(fā)明的有益效果是：支持系統(tǒng)在不同工作模式、不同傳輸背景下的效能仿真與評估，支持對效能的影響因素分析，為研發(fā)人員設計和改善系統(tǒng)提供可靠的理論支撐和技術指導，具有一定的前瞻性。附圖說明圖1：超短波通信系統(tǒng)通信流程以及信噪比流動過程示意圖。圖2：效能評估流程示意圖。圖3：通信覆蓋能力評估結果圖。圖4：通信組網(wǎng)能力評估結果圖。具體實施方式下面結合附圖與具體實施例進一步闡述本發(fā)明。如圖1所示，一種基于多因素影響建模的超短波通信系統(tǒng)效能評估方法，具體步驟如下：S1、通過對超短波通信系統(tǒng)工作原理與效能影響機理的研究，將通信過程中各環(huán)節(jié)對系統(tǒng)的影響等效折算為信噪比的增大或減小，并以此為基礎對通信系統(tǒng)各模塊進行數(shù)學建模，具體步驟如下：S11、用編碼增益的近似界來等效信道編碼對系統(tǒng)誤碼性能的改善，即γ(dB)＝10log10Rdmin，其中，R為編碼效率，dmin為碼間最小距離；S12、用擴頻增益來描述擴展頻譜技術對系統(tǒng)抗干擾性能的改善，即，Gp(dB)＝10lg(2N-1)，其中，N為為擴頻碼的級數(shù)；S13、用天線增益表示收發(fā)端天線對信號的增強或減弱。式中，為天線效率，為天線的方向圖函數(shù)，即，其中，ηA為天線效率，f為天線的方向圖函數(shù)，S14、通過建立噪聲的數(shù)學模型來計算噪聲功率，即，N(dB)＝10lgkTB+F+G，其中，T為等效噪聲溫度，B為接收機帶寬，F(xiàn)為噪聲系數(shù)，G為低噪放增益，k為玻爾茲曼常數(shù)；S15、通過建立相應的損耗模型來描述信號在不同傳播環(huán)境下的傳輸損耗，即，自由空間模型PL(dB)＝32.44+20lgd+20lgf，反射模PL(dB)＝40lgd-20lght-20lghr，散射模型PL(dB)＝M+30lgf+10lgd+30lgθ+N(H,h)+Lc，其中，d為傳輸距離，f為信號頻率，ht,hr為收發(fā)天線高度，θ為散射角，M,N,Lc為與氣候相關的環(huán)境參數(shù)；S16、通過算法仿真和數(shù)據(jù)擬合，建立同步和信道均衡的模型；S2、根據(jù)通信系統(tǒng)的實際工作環(huán)境和使用需求，推導并建立信號在不同調制方式、不同信道環(huán)境下的錯誤判決概率，得到以信噪比為主變量的系統(tǒng)誤碼率計算公式，具體為：利用公式計算積分，得到系統(tǒng)誤碼率，其中，Pe(γb)為不同調制方式下的錯誤判決概率，p(γb)為不同衰落服從的概率密度函數(shù)，衰落主要包括如下幾種類型：瑞利衰落萊斯衰落C.Loo衰落頻率選擇性衰落；S3、完善系統(tǒng)的效能評估模型，即，根據(jù)評估類型，擬定評估變量，將評估變量與信噪比進行關聯(lián)，得到以評估變量為主變量的系統(tǒng)誤碼率的數(shù)學表達式，并根據(jù)系統(tǒng)誤碼率閾值來約束變量區(qū)間，得到評估結果，數(shù)學模型為Pe＝f{X,a1,a2…}，其中，Pe為系統(tǒng)誤碼率，X為評估主變量，a1,a2…為影響通信系統(tǒng)信噪比的其他因素，f為將多因素整合關聯(lián)并計算誤碼率的函數(shù)。本專利中，對系統(tǒng)效能評估主要研究如下幾種類型：通信覆蓋能力評估用于評估超短波通信系統(tǒng)的有效通信覆蓋范圍，評估變量為通信距離。參考表1和表2。根據(jù)系統(tǒng)實際工作環(huán)境選擇合適的信道模型，將通信距離設定值代入信號傳播損耗公式，與信噪比進行關聯(lián)，得到以通信距離為主變量的系統(tǒng)誤碼率計算公式。根據(jù)誤碼率計算結果，使用二分法增大或減小通信距離設定值，直至誤碼率結果貼近閾值，得到滿足該閾值的最大通信距離D。環(huán)境類型信道衰落模型城市頻率選擇性衰落山地瑞利衰落鄉(xiāng)村、曠野萊斯衰落森林C.Loo衰落表1傳輸距離傳輸損耗類型視距自由空間模型長距離(通常為d＞4hthr/λ)反射模型超視距散射模型表2組網(wǎng)能力評估用于分析和評估超短波系統(tǒng)在接力組網(wǎng)方式下的通信覆蓋能力，其實質是在通信覆蓋能力評估的基礎上，新增一個或多個中繼平臺，實現(xiàn)通信接力。因此，其評估方式與覆蓋能力評估方式一致，評估結果是通信覆蓋能力評估結果的并集。鏈路傳輸能力評估用于分析和評估超短波系統(tǒng)在不同傳輸速率下的系統(tǒng)誤碼率和鏈路重傳率，評估變量為傳輸速率。鏈路重傳率使用下式計算。其中，Pc表示沒有差錯發(fā)生的概率，定義為Pc＝(1-p)n，p為信道差錯概率，n為數(shù)據(jù)幀長度；Pe表示發(fā)生不可檢測的差錯概率，其近似界為其中，dmin為最小碼距，n,k為編碼參數(shù)。根據(jù)誤碼率和重傳率的閾值，使用二分法不斷調整傳輸速率設定值，可得到系統(tǒng)的最大傳輸速率R?？垢蓴_能力評估用于分析和評估超短波通信系統(tǒng)抗各種干擾的工作能力。由于干擾功率大，針對性強，其對系統(tǒng)的影響遠大于隨機噪聲，因此在評估系統(tǒng)抗干擾性能時，可忽略噪聲的影響，用信干比替換信噪比。評估主變量為干擾信號功率。下面給出系統(tǒng)抗不同干擾的效能評估的數(shù)學模型。式中，Pe1為未受干擾部分的誤碼率，Pe2為受干擾部分的誤碼率，ρ1是干擾的帶寬占比，ρ2是干擾的時間占比。Pe＝(1-ρ1)Pe1+ρPe2(瞄準式干擾)Pe＝(1-ρ2)Pe1+ρPe2(跟蹤式干擾)根據(jù)系統(tǒng)誤碼率上限約束，可以得到系統(tǒng)能夠抵抗的不同類型干擾的最大干擾功率P。效能評估的整體流程如圖2所示。實施例1、選取通信系統(tǒng)通信覆蓋能力評估，用于分析系統(tǒng)在符合通信質量的前提下所能覆蓋的最遠通信距離，首先配置系統(tǒng)的工作參數(shù)，發(fā)射信號功率45dBm，帶寬6.8kHz，頻率225MHz，編碼為(7,4)線性分組碼，調制方式為BPSK，通信平臺的地理位置設為空中離地8Km處。效能評估與仿真包括如下步驟：在本實例中，采用的信道編碼類型為(7,4)線性分組碼，碼率R＝4/7，最小碼距dmin＝3，由式計算可得漸進編碼增益為2.3dB；設定機載天線為全向天線，由式(3)計算可得收發(fā)天線增益均約為0dB；設定系統(tǒng)和天線的等效溫度為1000K，噪聲系數(shù)為7.4dB，由式計算得到噪聲功率為-23dBm。根據(jù)大量工程數(shù)據(jù)顯示，信號在高空傳播時的無線信道非常貼近萊斯因子為4的萊斯信道，設定誤碼率上限為10-5，根據(jù)BPSK調制模式下萊斯信道的誤碼率計算公式，用誤碼率上限對接收端信噪比進行約束，得到信噪比下限約為35dB。通過信噪比將各模塊進行關聯(lián)，形成一條通信系統(tǒng)信噪比預算鏈路，去除步驟一中的影響因素，得到信號傳播損耗的上限值為133.4dB，根據(jù)通信平臺的位置高度，信道損耗符合自由空間傳播模式，因此代入該傳播損耗公式，得到通信距離的極限值約為500km。用仿真軟件對上述理論分析進行仿真驗證，結果如圖3所示，圖中，每個仿真點的時間間隔為5min。可見，結果與理論值非常貼切，由于平臺在運動過程中所處環(huán)境的變化，每個仿真點的數(shù)據(jù)會有小幅度的波動。實施例2、選取通信系統(tǒng)組網(wǎng)能力評估，用于分析系統(tǒng)在組網(wǎng)接力通信下的最遠通信距離。在實例一的基礎上新增一個空中中繼平臺，其發(fā)射信號功率為39.2dBm，其余參數(shù)不變，得到評估結果如圖4所示?？梢?，接力通信大大增加系統(tǒng)的通信范圍，通過組網(wǎng)可實現(xiàn)750km左右的遠距離傳輸。當前第1頁1 2 3